出砂预测

一、出砂概况

油井出砂是油气开采过程中由于储层胶结疏松、强度低、流体的冲刷而导致射孔孔道附近或井底地带砂岩层结构被破坏，使得砂粒随流体从油层中运移出来的现象[1].（李兆敏,林日亿,王渊,等.高含水期射孔井出砂预测模型的建立及应用[J].石油大学学报:自然科学版,2003,27,(4):58,61,65.）在我国,除了少数油田的油井是由于砂岩层胶结不好、砂粒疏松.在开采初期就有出砂现象之外,许多出砂现象都是发生在油井生产的中后期.油田的中后期出砂特点是出砂量大、时间持久且难预测何时发生、防治较为困难。国外在出砂预测方面研究应用较早.开发出了大尺寸出砂试验模拟系统、多种出砂理论模型和软件.我国近几年也正在从小尺寸的出砂预测逐步向大尺寸的出砂预测过度。

二、出砂的危害

(1)减产或停产作业：油、气井出砂最容易造成油层砂埋、油管砂堵，地面管汇和储油罐积砂。沙子在井内沉积形成砂堵，从而降低油井产量，甚至使油井停产，因此，常被迫起油管清除砂堵、清洗砂埋油层，清理地面管汇和储油罐。其工作量大，条件艰苦，既费时又耗资。即使这样，问题也还没有最终解决。恢复生产不久，又须重新作业。

(2)地面和井下设备磨蚀：由于油层出砂使得油、气井产出流体中含有地层砂，而地层砂的主要成分是二氧化硅（石英），硬度很高，是一种破坏性很强的磨蚀剂，能使抽油泵阀磨损而不密封，阀球点蚀，

柱塞和泵缸拉伤，地面阀门失灵，输油泵叶轮严重冲蚀。使得油、气井不得不停产进行设备维修或更换，造成产量下降，成本上升。

(3)套管损坏，油井报废：最严重的情况是随着地层出砂量的不断增加，套管外的地层孔穴越来越大，到一定程度往往会导致突发性地层坍塌。套管受坍塌地层砂岩团块的撞击和地层应力变化的作用受力失去平衡而产生变形或损坏，这种情况严重时会导致油井报废。

(4)安全及环境问题：意料之外的由于出砂引起的管道渗漏或设备失效还会引起严重的安全问题和溢出事故，尤其是在海上或陆上有水的地方。此外地层砂产出井筒，对环境会造成污染，尤其是海洋油、气田更为环境保护法规所制约，所以油、气井防砂不仅是油、气开采本身的需要，也是环境保护的需要。

三、国内外出砂机理的发展

80年代末N.Morita 和 D.L.Whltfill[2]( N.Morita and D.L.Whltfill. Realistic Sand Production Prediction. Numerical Approach SPE 16989)等人在文章中论述了剪切应力与张拉应力的作用所导致的地层破碎，出砂。如果井底压力下降，剪切破碎将占主导地位。如果地层内流体的流速高，张拉应力破碎将发生。当达到以下条件时纯张拉应力破碎就会发生：1.射孔孔眼间距超过总间距的1/3；

2.射孔密度小于7孔/米；

3.射孔孔眼被封堵；

4.对孔眼进行清洁时。

1991年N.Morita 和 P.A.Boyd 两人发表的文章中详尽地分析了油田现场常见的5种典型的油气田出砂问题[3]。(N.Morita and P.A.Boyd. Typical Sand Production Problem. Case Studies and

Strategies for Sand Control SPE22739)

1.地层的弱胶结出砂

这类油气藏出砂发生在油气井生产初期，或关井后的第二个生产周期。对于弱胶结地层，剪切破坏所导致的出砂量要比拉伸应力所导致的出砂量大。由于地层胶结性差，较小的采液强度就可以导致油气井出砂。弱胶结地层的出砂量大约占油井总产量的10%～20%。

2.中等胶结强度易出水地层

这种中等强度定义在3.45～6.8MPa。这种地层开始不出砂，地层出水后却开始出砂。其主要原因是由于出水后使原来固结砂粒的毛细管力消失，使得地层剪切破碎增强，破碎的砂粒的运移增大了砂粒间的剪切力，从而使油气藏出砂加剧。

3.油气藏压力下降导致胶结性好的地层出砂

由于油藏压力降低，同时在主应力非常大的情况下，胶结强度高的地层容易出砂，这种地层出砂状况比弱胶结地层差，同时也可能时断时续的发生。

4.地层具有高水平构造应力胶结性好的地层出砂

通常，两个水平主构造应力在出砂层位没有明显的区别，然而如果地层由于孔隙度的减小使得底层的强度变的更高，此时地层有较小的运动，将导致该方向上的应力很高，这种较高的应力差会导致井眼破碎，这种作用的结果使油气井出砂。

5.井眼表面周围高压力梯度的出砂问题

由于井眼表面周围高压力梯度，射孔弹在射孔的过程中对井壁的

振动作用造成孔眼壁面地层胶结性变差，加上流体流动拖拽力和摩擦力的作用，使地层的出砂加重。井眼附近出砂区一般的特点是胶结性差，如果最大主应力超过地层强度，就可以不考虑地层胶结性差等因素断定地层出砂。如果现存压力超过地层压力，出砂量增加的主要原因是剪切破碎。通常地层突然出水或关井次数增加都会引起地层出砂情况的加剧。

Hall,C.D.Jr. and Harrisberger[4]等人是第一个用岩心三轴向试验来研究在不同的荷载和油、水两相作用下砂拱的稳定性问题。他们经过实验观察到当润湿相浓度小于某个临界值时，砂拱将保持稳定；当润湿相浓度达到这个临界值时，砂拱将被破坏。砂拱的稳定能力与砂拱的尺寸，润湿相大小有关，而且围绕在孔眼周围的砂粒必须具备一定的润湿相才能形成砂拱。另外稳定的砂拱必须具有一定的外界应力和自身的凝聚力。润湿相的浓度对砂拱的稳定性的影响主要体现在以下几方面；（1）单相浓度的砂粒构成不了稳定的砂拱；（2）强烈的引力会使孔眼增大；（3）两相环境下的砂拱稳定性好，在实验室条件下当润湿相饱和度S W＞3%形成稳定的砂拱；当S W＜20%有出砂的迹象；当20%＜S W＜32%连续出砂；当S W＞32%大量的流动砂产生。（4）在两相区环境下，仅润湿相携带砂粒；（5）在润湿相饱和度较小的环境条件下，液流速度增加，砂拱尺寸也随之增加，随流速的降低砂拱保持稳定。（6）润湿相浓度超过某一临界值时，砂拱将发生坍塌破坏。（Hall,C.D.Jr. and Harrisberger，W.H.Stability of Sand Archcs;A Key to Sand Control SPE paper 2399）